Оценка нагруженности приводов проходческо-очистных комбайнов «Урал-20Р» для выбора технически обоснованных режимов работы в реальных условиях эксплуатации Трифанов Михаил Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Современные горные предприятия, осуществляющие добычу калийных солей подземным способом, широко используют механизированные комбайновые комплексы и камерную систему разработки. На рудниках России и стран СНГ наибольшее применение нашли комбайны «Урал-20Р» производства АО «КМЗ» (г. Копейск, Челябинская область.).

Завод-изготовитель комбайнов ведет работы по совершенствованию своей продукции: современные модификации комбайнов «Урал-20Р» комплектуются системами визуализации и регистрации нагружен-ности электроприводов исполнительных органов по потребляемым токам. Однако оценка степени нагруженности приводов комбайна в режиме реального времени и регулирование параметров работы возложены на оператора, что определяет существенные погрешности при поддержании рационального режима работы.

Корректная оценка нагруженности приводов выемочных машин при работе в условиях калийных рудников позволяет обосновать рациональные режимные параметры процесса разрушения соляного массива исполнительными органами комбайнов, оценить эффективность использования выемочных машин, уменьшить удельные энергозатраты и улучшить гранулометрический состав руды, отделяемой от забоя. Таким образом, исследование процесса формирования нагрузок приводов исполнительных органов комбайнов «Урал-20Р» представляет теоретический и практический интерес и является актуальной научной задачей.

Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в решение вопросов, связанных с исследованием процессов формирования нагрузок приводов добычных машин и обоснованием рациональных параметров работы комбайнов, внесли В.А. Бреннер, В.В. Га-бов, В.Н. Гетопанов, Л.Б. Глатман, А.В. Докукин, А.Б. Жабин, С.К. Ка-биев, Л.И. Кантович, Н.Г. Картавый, М.Д. Коломийцев, Ю.Д. Красников, Е.З. Позин, Р.Ю. Подэрни, В.М. Рачек, В.И. Солод, и др.

В качестве объекта исследования в работе рассматривается процесс формирования нагрузок приводов проходческо-очистных комбайнов «Урал-20Р» в реальных условиях их эксплуатации. Предметом исследования является оптимизация параметров и режимов работы комбайнов «Урал-20Р» по условию обеспечения минимальных удельных энергозатрат на разрушение калийного массива планетарно-дисковыми исполнительными органами.

Цель работы. Обоснование рациональных параметров разрушения калийного массива пространственными планетарно-дисковыми исполнительными органами комбайнов «Урал-20Р» на основе выявленных закономерностей процесса формирования нагрузок их приводов.

Идея работы. Рациональные параметры разрушения калийного массива резцами пространственных планетарно-дисковых исполнительных органов комбайна «Урал» имеют место в заданном диапазоне соотношения шага резания к толщине стружки и обеспечиваются изменением частоты вращения привода переносного вращения резцовых дисков при заданной скорости подачи, а эффективность использования комбайна оценивается двумя комплексными показателями: коэффициентом энергоэффективности и коэффициентом производительной работы.

Задачи исследования:

1. Анализ конструктивных особенностей и режимов работы про-ходческо-очистных комбайнов «Урал-20Р».

2. Обобщение и анализ теоретических и экспериментальных исследований в области повышения энергоэффективности горных комбайнов.

3. Теоретические исследования процесса формирования нагрузок приводов исполнительных органов комбайнов «Урал-20Р».

4. Выбор и обоснование показателей эффективности использования проходческо-очистных комбайнов «Урал-20Р», разработка методики количественного определения их величин.

5. Экспериментальные исследования процесса формирования нагрузок на приводы исполнительных органов комбайнов «Урал-20Р» при работе в условиях калийных рудников Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей.

6. Разработка алгоритма управления приводами проходческо-очистных комбайнов «Урал-20Р», обеспечивающего разрушение калийного массива с рациональными параметрами резания.

Научная новизна работы:

1. Предложено обеспечивать разрушение калийного массива резцами пространственных планетарно-дисковых исполнительных органов комбайнов «Урал-20Р» с рациональными значениями отношения шага резания к толщине стружки t_ср/h_ср в диапазоне от 2 до 4, что реализуется изменением частоты вращения привода переносного движения резцовых дисков по разработанному алгоритму минимизации энергопотребления приводами резания комбайна при заданной скорости его подачи.

2. Предложены показатели оценки эффективности использования

проходческо-очистных комбайнов «Урал-20Р»: коэффициент энергоэффективности, учитывающий удельные энергозатраты на добычу калийной руды путем отнесения базовой величины затрат энергии на тонну добытого полезного ископаемого к соответствующей фактической величине за планируемый период, и коэффициент производительной работы, который является показателем достигнутого уровня добычных работ комбайном, равный отношению времени производительной работы к разности времени эксплуатации и соответствующих затрат на восстановление работоспособного состояния комбайна.

Теоретическая и практическая значимость работы:

3. Предложено новое научно обоснованное техническое решение оценки нагруженности отдельных приводов комбайна «Урал-20Р».

4. Исследован процесс формирования нагрузок приводов проход-ческо-очистного комбайна «Урал-20Р» в реальных условиях эксплуатации при отработке забоя полным и неполным сечением, определены значения активных мощностей приводов породоразрушающих исполнительных органов при заданной скорости подачи комбайна на забой.

3. Предложен алгоритм управления приводами проходческо-
очистного комбайна «Урал-20Р» на основе информации о величине и
характере изменения нагрузок электроприводов исполнительных органов
и перемещении комбайна.

4. Результаты работы используются на предприятии
ПАО «Уралкалий» в деятельности, направленной на повышение эф
фективности эксплуатации комбайновых комплексов и снижение
количества аварийных отказов оборудования.

Методология и методы исследования. При решении поставленных задач использовался комплексный подход, включающий научный анализ и обобщение результатов ранее опубликованных исследований в области формирования нагрузок приводов выемочных машин, аналитические расчеты, производственный эксперимент по оценке нагруженно-сти и энергопотребления приводов исполнительных органов комбайнов «Урал» в условиях калийных рудников.

Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует пп. 1 и 3 области исследований: «Изучение закономерностей внешних и внутренних рабочих процессов в горных машинах, комплексах и агрегатах с учетом внешней среды» и «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы машин и оборудования и их элементов» соответственно.

Положения, выносимые на защиту:

5. Эффективность функционирования проходческо-очистных комбайнов «Урал-20Р» необходимо и достаточно определять по двум комплексным показателям: коэффициенту энергоэффективности и коэффициенту производительной работы, при этом первый оценивает удельные энергозатраты на добычу калийной руды путём отнесения базовых затрат энергии на тонну добытого полезного ископаемого к соответствующей фактической величине, полученной при производительной работе комбайна, а второй является показателем достигнутого уровня добычных работ комбайном, равным отношению времени производительной работы к общему времени работоспособного состояния комбайна за рассматриваемый период.

6. Установлено, что при разрушении калийного массива рабочим инструментом пространственных планетарно-дисковых исполнительных органов комбайна «Урал-20Р» рациональное отношение шага резания к толщине стружки находится в диапазоне t_ср/h_ср = 2…4, обеспечивая минимум энергозатрат и максимальный выход руды обогатимых классов, при этом указанные значения t_ср/h_ср достигаются изменением частоты вращения привода переносного движения резцовых дисков по разработанному алгоритму минимизации энергопотребления приводами резания комбайна при заданной скорости его подачи.

Степень достоверности и апробация результатов работы.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются результатами экспериментальных исследований процесса формирования нагрузок приводов проходческо-очистных комбайнов «Урал-20Р» в реальных условиях эксплуатации. Основные выводы теоретических исследований согласуются с общепризнанными представлениями о закономерностях работы приводов выемочных машин.

Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на следующих конференциях: международная научно-практическая конференция «Инновационные системы планирования и управления на транспорте и в машиностроении» (г. Санкт-Петербург, 2014, 2015 гг.), международная научно-практическая конференция «Горная и нефтяная электромеханика» (г. Пермь, 2015, 2016, 2017 гг.), международная научно-техническая конференция «Чтения памяти В.Р. Кубачека» (г. Екатеринбург, 2014, 2015 гг.), международная конференция «Социально-экономические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2014,

2016 гг.), международный научный симпозиум «Неделя горняка» (г. Москва, 2014, 2015, 2017 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных работ в рецензируемых журналах и изданиях, в том числе 4 из них в изданиях, рекомендованных ВАКом Минобрнауки Российской Федерации, получен патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, трёх приложений, общим объемом 166 страниц печатного текста, содержит 12 таблиц и 39 рисунков, список литературы из 120 наименований.

Личный вклад автора. Проведен анализ конструктивных особенностей и режимов работы проходческо-очистных комбайнов «Урал-20Р». Сформулированы цель и задачи исследований. Выполнены теоретические исследования процесса формирования нагрузок на приводы исполнительных органов комбайнов калийных рудников. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования по оценке нагруженности приводов проходческо-очистных комбайнов «Урал-20Р» в реальных условиях эксплуатации. Предложены комплексные показатели оценки эффективности использования комбайнов «Урал». Разработан алгоритм автоматического управления приводами комбайна «Урал-20Р».